Đồ án nghiên cứu tổng quan về động cơ điện một chiều; chỉnh lưu hình cầu 1 pha điều khiển hoàn toàn; thiết kế và tính chọn các phần tử mạch động lực; thiết kế các phần tử mạch điều khiển; mạch bảo vệ và kết luận. Mời các bạn cùng tham khảo đồ án để nắm chi tiết nội dung nghiên cứu.
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN ĐỒ ÁN MƠN HỌC HỌC PHẦN: ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ BỘ CHỈNH LƯU HÌNH CẦU 1 PHA KÉP ĐỂ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1 CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP CĨ ĐẢO CHIỀU Người hướng dẫn: TS. GIÁP QUANG HUY Sinh viên thực hiện: Số thẻ sinh viên: Nhóm HP / Lớp: Ngành: Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa MỤC LỤC DANH SÁCH HÌNH ẢNH Sinh viên thực hiện: Hướng dẫn: TS. Giáp Quang Huy CHƯƠNG 1: 1.1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU GIỚI THIỆU CHUNG: 1.1.1 Khái niệm: Động cơ điện một chiều là loại máy điện một chiều biến điện năng dòng một chiều thành cơ năng. Khi máy điện một chiều làm việc chế độ động cơ thì cơng suất đầu vào là cơng suất điện cơ, cơng suất đầu ra là cơng suất cơ Hình 1. : Hình ảnh động cơ điện một chiều 1.1.2 Cấu tạo của động cơ điện một chiều: Động cơ điện một chiều có thể phân thành hai thành phần chính gồm: phần tĩnh và phần động Hình 1. : Cấu tạo động cơ điện một chiều 1 Thép, 2 Cực chính với cuộn kích từ, 3 Cực phụ với cuộn dây, 4 Hộp ổ bi, 5 Lõi thép, 6 Cuộn phần ứng, 7 Thiết bị chổi, 8 Cỗ góp, 9 Trục, 10 Nắp hộp đấu dây 1.1.3 Phân loại động cơ điện một chiều: Động cơ điện một chiều được phân loại theo kích từ thành những loại sau: Động cơ điện một chiều kích từ độc lập: Phần ứng và phần kích từ được cung cấp từ hai nguồn riêng lẻ Động cơ điện một chiều kích từ song song: Cuộn dây kích từ được mắc song song với phần ứng Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp: Cuộn dây kích từ được mắc nối tiếp với phần ứng Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp: Gồm có hai cuộn dây kích từ, một cuộn mắc song song với phần ứng, một cuộn mắc nối tiếp với phần ứng 1.1.4 Ngun lý động cơ điện một chiều: Động cơ điện một chiều hoạt động dựa trên tác dụng của từ trường lên khung dây dẫn có dòng điện chạy qua đặt trong từ trường. Khi hoạt động động cơ điện một chiều biến điện năng của dòng điện một chiều thành cơ năng 1.2 ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU: 1.2.1 Đặc tính động cơ điện: Đặc tính cơ của động cơ điện là quan hệ giữa tốc độ quay và mơmen của động cơ: M = f(ω) 1.2.2 Sơ đồ nối dây của động cơ điện một chiều kích từ độc lập: Động cơ điện một chiều kích từ độc lập: nguồn một chiều cấp cho phần ứng và cấp cho kích từ độc lập nhau Sinh viên thực hiện: Hướng dẫn: TS. Giáp Quang Huy Hình 1. : Sơ đồ nối dây động cơ điện một chiều kích từ độc lập Phương trình cân bằng điện áp: Uư = Eư +(Rư + Rf).Iư Sức điện động của phần ứng động cơ: Eư = K Momen điện từ của động cơ: M = KIư Phương trình đặc tính cơ điện: Hình 1. : Hình ảnh đặc tính cơ – điện Phương trình đặc tính cơ: Hình 1. : Hình ảnh đặc tính cơ 1.2.3 Đặc tính cơ tự nhiên: Đặc tính cơ tự nhiên: là đặc tính cơ có các tham số định mức và khơng sử dụng thêm các thiết bị phụ trợ khác. Mỗi động cơ chỉ có một đặc tính cơ tự nhiên Phương trình đặc tính cơ – điện tự nhiên: Phương trình đặc tính cơ tự nhiên: 1.2.4 Đặc tính cơ nhân tạo: Đặc tính cơ nhân tạo là đặc tính cơ có một trong các tham số khác định mức hoặc có điện trở phụ trong mạch phần ứng động cơ. Mỗi động cơ có thể có nhiều đặc tính cơ nhân tạo Phương trình đặc tính cơ: 1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH THAY ĐỔI TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU: 1.3.1 Thay đổi điện trở phụ trong mạch phần ứng: Từ phương trình đặc tính cơ: Sinh viên thực hiện: Hướng dẫn: TS. Giáp Quang Huy Ta thấy rằng khi thay đổi Rf thì còn thay đổi, vì vậy ta sẽ được các đường đặc tính điều chỉnh có cùng và dốc dần khi Rf càng lớn, với tải như nhau thì tốc độ càng thấp Hình 1. : Đặc tính điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi Rf Đặc điểm điều chỉnh: Tốc độ khơng tải lý tưởng khơng đổi Chỉ cho phép điều chỉnh thay đổi tốc độ về phía giảm Khi Rf tăng, độ dốc đặc tính cơ càng lớn, đặc tính cơ càng mềm độ ổn định tốc độ càng kém, sai số tốc độ càng lớn Tổn hao cơng suất dưới dạng nhiệt trên điện trở phụ Nếu ta tăng Rf đến một giá trị nào đó thì sẽ làm MMc như thế động cơ sẽ khơng quay được và động cơ làm việc ở chế độ ngắn mạch (). Từ lúc này, ta có thể thay đổi Rf thì tốc độ vẫn bằng 0, nghĩa là khơng điều chỉnh tốc độ động cơ được nữa. Do đó phương pháp điều chỉnh này là phương pháp điều chỉnh khơng triệt để. Ưu điểm: Thiết bị thay đổi rất đơn giản, thường dùng cho các động cơ cần trục, thang máy, máy nâng, máy xúc Nhược điểm: Tốc độ điều chỉnh càng thấp thì giá trị điện trở đóng vào càng lớn, đặc tính cơ càng mềm, độ cứng giảm dẫn đến sự ổn định tốc độ khi phụ tải thay đổi kém. Tổn hao phụ khi điều chỉnh rất lớn, tốc độ càng thấp thì tổn hao phụ càng cao Phương pháp thay đổi Rf chỉ phù hợp khi khởi động động cơ 1.3.2 Thay đổi từ thơng kích từ của động cơ: Từ phương trình đặc tính cơ: Ta thấy rằng khi thay đổi thì và đều thay đổi, vì vậy ta sẽ được các đường đặc tính điều chỉnh dốc dần và cao hơn đặc tính cơ tự nhiên khi càng nhỏ, với tải như nhau thì tốc độ càng cao khi giảm từ thơng Hình 1. : Đặc tính điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi Đặc điểm điều chỉnh: Giảm từ thơng thì tốc độ thay đổi tỉ lệ nghịch, từ thơng càng giảm thì tốc độ khơng tải lý tưởng càng tăng, tốc độ động cơ càng lớn Dòng điện ngắn mạch khơng đổi Độ cứng đặc tính cơ giảm khi giảm từ thơng Nếu giảm q nhỏ thì có thể làm cho tốc độ động cơ lớn q giới hạn cho phép, hoặc làm cho điều kiện chuyển mạch bị xấu đi do dòng phần ứng tăng cao. Như vậy, để đảm bảo chuyển mạch bình thường cần phải giảm dòng phần ứng momen trên trục động cơ giảm nhanh động cơ bị quá tải Ưu điểm: Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thơng có thể điều chỉnh vơ cấp và cho tốc độ lớn hơn tốc độ cơ bản. Phương pháp nảy thường được dùng cho các máy như: máy mài vạn năng, máy bào giường,… Việc điều chỉnh được thực hiện trên mạch kích từ nên tổn thất năng lượng ít, thiết bị đơn giản nên giá thành thấp Sinh viên thực hiện: Hướng dẫn: TS. Giáp Quang Huy Nhược điểm: Do điều chỉnh sâu nên giảm, sai số tĩnh lớn, kém ổn định với tốc độ cao. Nghĩa là điều chỉnh càng sâu thì càng lớn. Nên đặc tính càng dốc momen nhỏ đến khi nhỏ hơn momen phụ tải thì động cơ khơng chạy được 1.3.3 Thay đổi điện áp phần ứng của động cơ: Từ phương trình đặc tính cơ: Ta thấy rằng khi thay đổi Uư thì thay đổi còn , vì vậy ta sẽ được các đường đặc tính điều chỉnh song song với nhau. Nhưng muốn thay đổi U ư thì phải có bộ nguồn một chiều thay đổi được điện áp ra, thường dùng các bộ biến đổi Hình 1. : Đặc tính điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi Uư Đặc điểm điều chỉnh: Tốc độ động cơ tăng/giảm theo chiều tăng/giảm của điện áp phần ứng Thay đổi được cả tốc độ khơng tải lý tưởng , và dòng điện ngắn mạch Độ cứng đặc tính cơ giữ khơng đổi trong tồn bộ dải điều chỉnh Chỉ có thể điều chỉnh tốc độ về phía giảm vì chỉ có thể thay đổi với UưUđm Ưu điểm: Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng động cơ sẽ giữ ngun độ cứng đường đặc tính nên được dùng nhiều trong các máy cắt gọt kim loại. Đảm bảo tính kinh tế, tổn hao năng lượng thấp, phạm vi điều chỉnh rộng. Nếu kết hợp với phương pháp điều chỉnh từ thơng thì ta có thể điều chỉnh tốc độ lớn hơn và nhỏ hơn tốc độ định mức Nhược điểm: Phương pháp này cần một bộ nguồn có thể thay đổi trơn điện áp 1.4 KẾT LUẬN CHUNG: Qua phân tích 3 phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều trên, thì phương pháp điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng là tốt hơn cả và triệt để nhất. Vì vậy, chúng em lựa chọn phương pháp thay đổi điện áp phần ứng để điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều Sinh viên thực hiện: Hướng dẫn: TS. Giáp Quang Huy 11 CHƯƠNG 2: CHỈNH LƯU HÌNH CẦU 1 PHA ĐIỀU KHIỂN HỒN TỒN 2.1 GIỚI THIỆU CHUNG: 2.1.1 Khái niệm: Chỉnh lưu là các bộ biến đổi tĩnh cho phép chuyển đổi năng lượng của một nguồn với các đại lượng xoay chiều thành một nguồn khác với các đại lượng một chiều Ứng dụng: Cấp nguồn cho các tải một chiều như: Động cơ điện một chiều, bộ nạp acquy, mạ điện phân, máy hàn một chiều, nam châm điện, truyền tải điện một chiều cao áp,… 2.1.2 Phân loại: Dựa theo số pha nguồn cấp cho các van chỉnh lưu: 1 pha, 2 pha, 3 pha, 6 pha… Dựa theo loại van bán dẫn: Mạch chỉnh lưu khơng điều khiển Mạch chỉnh lưu điều khiển hồn tồn Mạch chỉnh lưu bán điều khiển Dựa theo sơ đồ mắc van: Sơ đồ hình tia: Số van bằng số pha nguồn cung cấp. Các van đấu chung một đầu nào đó với nhau: Anode chung hoặc Cathode chung Sơ đồ hình cầu: Một nữa số van mắc chung nhâu Anode, một nữa số van mắc chung Cathode 2.1.3 Đặc điểm của điện áp và dòng điện chỉnh lưu: 2.1.3.1 Điện áp chỉnh lưu: ud: Giá trị tức thời của điện áp chỉnh lưu uσ: Thành phần xoay chiều Ud: Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu p: Số xung đập mạch của sóng điện áp chỉnh lưu fσ(1): Tần số của sóng điều hòa bậc 1 thành phần xoay chiều của ud f: Tần số điện áp lưới Giá trị hiệu dụng của điện áp chỉnh lưu: Uσ: Giá trị hiệu dụng thành phần xoay chiều của điện áp chỉnh lưu 2.1.3.2 Dòng điện chỉnh lưu: id: Giá trị tức thời của dòng điện chỉnh lưu idσ: Thành phần xoay chiều Uσ(n): Giá trị hiệu dụng của sóng điều hòa bậc n thành phần xoay chiều của điện áp chỉnh lưu : Tần số góc của sóng điều hòa bậc n thành phần xoay chiều Nhấp nhơ của dòng tải: Do thành phần xoay chiều của điện áp chỉnh lưu gây ra Nếu L → ∞ Iσ(n) → 0 id= Id Dòng phẳng tuyệt đối 2.2 CHỈNH LƯU HÌNH CẦU 1 PHA ĐIỀU KHIỂN HỒN TỒN 2.2.1 Sơ đồ mạch ngun lý: Sinh viên thực hiện: Hướng dẫn: TS. Giáp Quang Huy 13 Hình 2. : Sơ đồ mạch chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển hồn tồn 2.2.2 Ngun lý làm việc: Hình 2. : Sơ đồ và đồ thị u, i của chỉnh lưu cầu 1 pha có điều khiển Xét ở những chu kỳ làm việc xác lập: Trong () điện áp u1 > 0 Giả sử T2, T4 đang dẫn dòng phản kháng id = iT2 = iT4 = ipk > 0; T1, T3 đang khóa, ud 0 và có xung điều khiển T 1, T3 mở id = iT1 = iT3 > 0, còn T2, T4 khóa, ud > 0 Trong () điện áp u2 > 0 T1, T3 vẫn đang dẫn dòng phản kháng id = iT1 = iT3 = ipk > 0, ud 0 và có xung điều khiển T2, T4 mở id = iT2 = iT4 > 0; còn T1, T3 khóa, ud > 0 Cứ như vậy, chúng ta sẽ điều khiển mở lần lượt từng cặp T1, T3 rồi đến T2, T4 cách nhau một góc 2.2.3 Điện áp và dòng điện chỉnh lưu: Trị trung bình điện áp chỉnh lưu: Dòng trung bình qua tải: Trị trung bình dòng qua thyristor: Áp khóa và áp ngược cực đại đặt lên linh kiện: Um 2.2.4 Hiện tượng trùng dẫn: Hiện tượng trùng dẫn là trạng thái các nhánh thyristor cùng nhóm cùng dẫn điện tại thời điểm chuyển mạch Hình 2. : Hiện tượng trùng dẫn chỉnh lưu cầu 1 pha Hình 2. : Đồ thị dạng sóng khi xảy ra hiện tượng trùng dẫn Sinh viên thực hiện: Hướng dẫn: TS. Giáp Quang Huy 15 Trong máy biến áp có cuộn dây nên có điện cảm L nên trong mạch sẽ xảy ra hiện tượng trùng dẫn Giả sử T1, T3 đang mở cho dòng chảy qua iT1 = iT3 = Id. Khi phát xung mở T2, T4. Vì có L nên dòng iT1, iT3 khơng giảm đột ngột về 0 và dòng iT2, iT4 cũng khơng tăng đột ngột từ 0 Id. Lúc này, cả 4 van cùng mở khơng cho dòng chảy qua, phụ tải bị ngắn mạch Ud = 0 Hệ quả của hiện tượng trùng dẫn: Hiện tượng chuyển mạch làm giảm điện áp tải Hiện tượng chuyển mạch hạn chế phạm vi điều khiển điện áp điều khiển và do đó hạn chế phạm vi điều khiển điện áp chỉnh lưu Hiện tượng chuyển mạch làm biến dạng điện áp nguồn 2.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CHỈNH LƯU: 2.3.1 Khái niệm chung: Xung điều khiển đưa vào thyristor lúc điện áp đặt lên anode thyristor phải là xung dương Phải biết khi nào điện áp đặt lên thyristor dương Phải có điện áp đồng bộ: đồng bộ với điện áp khóa đặt lên thyristor Sơ đồ khâu phát xung – bộ điều khiển: Hình 2. : Sơ đồ khối điều khiển thyristor 2.3.2 Ngun tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính: Hình 2. : Ngun tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính Điện áp điều khiển Uc là điện áp một chiều Điện áp đồng bộ Udb là điện áp răng cưa Điện áp so sánh uss = Uc Udb Khi Uc = Udb uss = 0 là thời điểm so sánh tạo xung điều khiển Góc điều khiển: Điện áp chỉnh lưu: Ud = Udo.cos(kUc) 2.3.3 Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arccos: Hình 2. : Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arccos Sinh viên thực hiện: Hướng dẫn: TS. Giáp Quang Huy 17 Điện áp điều khiển Uc là điện áp một chiều Điện áp đồng bộ Udb là một đường cosin: Udb = Umcos Điện áp so sánh uss = Uc Udb Khi Uc = Udb uss = 0 là thời điểm so sánh tạo xung điều khiển Khi thì Uc = Udb =Umcos Góc điều khiển Điện áp chỉnh lưu: 2.4 BỘ CHỈNH LƯU CẦU 1 PHA KÉP ĐIỀU KHIỂN HỒN TỒN: 2.4.1 Sơ đồ ngun lý: Bộ chỉnh lưu cầu 1 pha kép điều khiển hồn tồn có cấu tạo gồm bộ chỉnh lưu cầu 1 pha có điều khiển mắc song song ngược với nhau Hình 2. : Sơ đồ chỉnh lưu cầu 1 pha kép điều khiển hồn tồn 2.4.2 Ngun lý hoạt động: Để phân tích ngun lý hoạt động ta tách ra một sơ đồ chỉnh lưu để phân tích. Đây là sơ đồ mạch chỉnh lưu cầu 1 pha có điều khiển. Ngun lý hoạt động được trình bày như ở phần trước 2.4.3 Phương pháp điều khiển hai bộ biến đổi mắc song song ngược: Ở chế độ làm việc bình thường, trong hai bộ chỉnh lưu mắc song song ngược chỉ có một bộ cung cấp điện áp một chiều và điều chỉnh điện áp cho tải Khi chúng ta cần đảo chiều động cơ thì bộ biến đổi phải đổi trạng thái cho Để thực hiện điều này ta dùng 2 phương pháp: Phương pháp điều khiển tuyến tính khống chế phụ thuộc hai bộ chỉnh lưu mắc song song ngược (điều khiển chung) Phương pháp điều khiển độc lập hai bộ chỉnh lưu mắc song song ngược (điều khiển riêng) Hình 2. : Sơ đồ hai bộ chinh lưu mắc song song ngược 2.4.3.1 Điều khiển đảo chiều theo phương pháp khống chế tuyến tính phụ thuộc: Phương pháp này ta đưa xung đồng thời vào hai bộ chỉnh lưu, tức là xung điều khiển hai bộ này liên hệ chặt chẽ với nhau theo quan hệ: Với : góc mở ứng với bộ chỉnh lưu 1 : góc mở ứng với bộ chỉnh lưu 2 Điện áp chỉnh lưu trung bình trên phụ tải với giả thuyết là dòng liên tục, bỏ qua tổn hao Sinh viên thực hiện: Hướng dẫn: TS. Giáp Quang Huy 19 Bộ chỉnh lưu 1: Bộ chỉnh lưu 2: Mà Như vậy, ta thấy thành phần một chiều của điện áp đầu ra của 2 sơ đồ chỉnh lưu là bằng nhau nên chúng khơng gây ra thành phần điện áp khép vòng qua các van của 2 sơ đồ chỉnh lưu Xét giản đồ dòng điện trong q trình khống chế đảo chiều: Hình 2. : Giản đồ dòng điện điều khiển đảo chiều tuyến tính phụ thuộc Từ thời điểm t = 0 với tdc phát xung cho 2 bộ theo quan hệ: Ud1 = Udocos BCL 1: làm việc ở chế độ chỉnh lưu Ud1 = Udocos BCL 2: làm việc ở chế độ nghịch lưu chờ Từ thời điểm tdc đến t1 ta tiến hành tăng góc mở đồng thời giảm. Điện áp trên BCL 2 giảm. Do đó, tốc độ động cơ giảm, nhưng tốc độ động cơ khơng giảm nhanh bằng điện áp của chỉnh lưu do qn tính nên suất điện động của động cơ lớn hơn điện áp chỉnh lưu nên BCL 2 đủ điều kiện nghịch lưu. (|Eư| > |Ud| và ) Bộ chỉnh lưu 2 chuyển sang chế độ nghịch lưu trả năng lượng về lưới đồng thời hãm cưỡng bức ta gọi là hãm tái sinh. Khi Ud = 0 Từ thời điểm t1 ta tiến hành giảm góc mở tăng để đảo chiều điện áp của hai bộ chỉnh lưu ... Góc điều khiển Điện áp chỉnh lưu: 2.4 BỘ CHỈNH LƯU CẦU 1 PHA KÉP ĐIỀU KHIỂN HỒN TỒN: 2.4 .1 Sơ đồ ngun lý: Bộ chỉnh lưu cầu 1 pha kép điều khiển hồn tồn có cấu tạo gồm bộ chỉnh lưu cầu 1 pha có điều khiển mắc song song ngược với nhau... của động cơ: M = f(ω) 1. 2.2 Sơ đồ nối dây của động cơ điện một chiều kích từ độc lập: Động cơ điện một chiều kích từ độc lập: nguồn một chiều cấp cho phần ứng và cấp cho kích từ độc lập nhau... thì cơng suất đầu vào là cơng suất điện cơ, cơng suất đầu ra là cơng suất cơ Hình 1. : Hình ảnh động cơ điện một chiều 1. 1.2 Cấu tạo của động cơ điện một chiều: Động cơ điện một chiều có thể phân thành hai thành phần chính gồm: phần tĩnh